Что такое редкоземельные металлы?

Редкоземельные металлы не так уж редки, как кажется – возможно, вы используете некоторые из них прямо сейчас. Они играют ключевую роль в различных повседневных устройствах, от планшетных компьютеров и телевизоров до гибридных автомобилей и ветряных турбин, поэтому вам будет полезно узнать, что некоторые виды металлов встречаются довольно часто. Например, церий – 25-й по распространенности элемент на Земле.

Почему же их называют редкоземельными? Название указывает на их неуловимую природу, поскольку 17 элементов редко существуют в чистом виде. Вместо этого они диффузно смешиваются с другими минералами под землей, что делает их добычу дорогостоящей.

И, к сожалению, это не единственный их недостаток. Добыча и переработка редкоземельных элементов наносит вред окружающей среде, поэтому большинство стран пренебрегают собственными запасами, даже несмотря на растущий спрос. Китай стал главным исключением с начала 1990-х годов, доминируя в мировой торговле благодаря своей готовности интенсивно добывать редкоземельные металлы и бороться с их кислотными и радиоактивными побочными продуктами. Именно поэтому США, несмотря на крупные собственные месторождения, по-прежнему получают 92% редкоземельных металлов из Китая.

Это не было проблемой, пока Китай не начал ужесточать контроль над редкоземельными металлами. Впервые страна ввела торговые ограничения в 1999 году, и с 2005 по 2009 год ее экспорт сократился на 20%. В 2010 году они резко упали, что привело к сокращению мировых поставок на фоне спора с Японией, а в последующие годы они упали еще больше.

Но что же делает редкоземельные металлы такими уникальными? Ответы на эти и другие вопросы вы найдете в следующем обзоре этих 17 загадочных металлов.

Редкая порода

Привлекательность редкоземельных металлов во многом заключается в их способности выполнять непонятные, очень специфические задачи. Например, европий обеспечивает красный люминофор для телевизоров и компьютерных мониторов, и ему нет замены. Церий, по данным Геологической службы США, также играет ведущую роль в индустрии полировки стекла: от него зависит «практически вся продукция из полированного стекла».

Постоянные магниты – еще одна важная роль редкоземельных металлов. Их легкий вес и высокая магнитная сила позволили миниатюризировать широкий спектр электронных деталей, включая многие, используемые в бытовой технике, аудио/видео оборудовании, компьютерах, автомобилях и военном снаряжении. Такие инновации, как маленькие, многогигабайтные накопители и DVD-приводы, скорее всего, не существовали бы без редкоземельных магнитов, которые часто изготавливаются из сплава неодима, но могут также содержать празеодим, самарий, гадолиний или диспрозий.

Хотя производство редкоземельных металлов может вызвать целый ряд экологических проблем, у них есть и экологически чистая сторона. Например, они необходимы для катализаторов, гибридных автомобилей и ветряных турбин, а также для энергосберегающих люминесцентных ламп и магнитных холодильных установок. Их низкая токсичность также является преимуществом, так как лантан-никель-гидридные аккумуляторы постепенно вытесняют старые виды аккумуляторов, в которых используется кадмий или свинец. Красные пигменты из лантана или церия также вытесняют красители, содержащие различные токсины.

Токсичное наследие

Многие «зеленые» технологии основаны на использовании редкоземельных металлов, но, по иронии судьбы, производители редкоземельных металлов уже давно наносят вред окружающей среде, чтобы получить эти металлы. Как и во многих других отраслях промышленности, где перерабатываются минеральные руды, в итоге получаются токсичные побочные продукты, известные как «хвосты», которые могут быть загрязнены радиоактивным ураном и торием. В Китае эти хвосты часто сбрасывают в «редкоземельные озера», что влечет за собой длинный список негативных последствий.

Но, возможно, есть один способ снизить спрос на новую добычу: переработка редкоземельных металлов. Экспортная политика Китая заставила некоторые японские компании заняться переработкой редкоземельных металлов, например, Mitsubishi, которая изучает стоимость повторного использования неодима и диспрозия из стиральных машин и кондиционеров. Компания Hitachi, которая использует до 600 тонн редкоземельных металлов в год, планирует, что вторичная переработка обеспечит 10% ее потребностей. ООН также недавно запустила проект по отслеживанию выброшенных «электронных отходов», таких как мобильные телефоны и телевизоры, надеясь увеличить объем переработки не только редкоземельных металлов, но и золота, серебра и меди. Тем не менее, пока такие программы не станут более рентабельными, США и другие страны почти наверняка будут продолжать проверять, насколько редки и насколько безопасны редкоземельные металлы на самом деле.

Список редкоземельных элементов

Вот более подробный обзор некоторых способов использования каждого редкоземельного элемента:

Скандий: Добавляется в ртутные лампы, чтобы сделать их свет более похожим на солнечный. Также используется в некоторых видах спортивного оборудования, включая алюминиевые бейсбольные биты, велосипедные рамы и клюшки для лакросса, а также в топливных элементах.

Иттрий: Обеспечивает цвет во многих телевизионных трубках. Он также проводит микроволны и акустическую энергию, имитирует алмазные камни, укрепляет керамику, стекло, алюминиевые и магниевые сплавы и т.п.

Лантан: Один из нескольких редкоземельных элементов, используемых для производства угольных дуговых ламп, которые используются в кино- и телеиндустрии для освещения студий и проекторов. Также содержится в батареях, кремнях для зажигалок и специализированных типах стекла, таких как объективы фотоаппаратов.

Церий: Самый распространенный из всех редкоземельных металлов. Используется в каталитических преобразователях и дизельном топливе для снижения выбросов угарного газа автомобилями. Также используется в угольных дуговых лампах, кремнях для зажигалок, полировщиках стекла и самоочищающихся духовках.

Празеодим: В основном используется в качестве легирующего агента с магнием для получения высокопрочных металлов для авиационных двигателей. Также может использоваться в качестве усилителя сигнала в волоконно-оптических кабелях и для создания твердого стекла очков сварщика.

Неодим: В основном используется для изготовления мощных неодимовых магнитов для жестких дисков компьютеров, ветряных турбин, гибридных автомобилей, наушников и микрофонов. Также используется для окрашивания стекла и изготовления кремней для зажигалок и очков сварщика.

Прометий: Не встречается в природе на Земле; должен быть искусственно получен путем деления урана. Добавляется в некоторые виды светящейся краски и атомные микробатареи, а также может использоваться в портативных рентгеновских аппаратах.

Самарий: Смешивается с кобальтом для создания постоянного магнита с самым высоким сопротивлением размагничиванию среди всех известных материалов. Имеет решающее значение для создания «умных» ракет; также используется в угольных дуговых лампах, кремнях для зажигалок и некоторых видах стекла.

Европий: Самый реактивный из всех редкоземельных металлов. В течение десятилетий использовался в качестве красного люминофора в телевизорах, а в последнее время – в компьютерных мониторах, люминесцентных лампах и некоторых типах лазеров, но в остальном имеет мало коммерческих применений.

Гадолиний: Используется в некоторых управляющих стержнях на атомных электростанциях. Также используется в медицине, например, в магнитно-резонансной томографии (МРТ), и в промышленности для улучшения обрабатываемости железа, хрома и различных других металлов.

Тербий: Используется в некоторых твердотельных технологиях, от передовых систем гидролокации до небольших электронных датчиков, а также в топливных элементах, предназначенных для работы при высоких температурах. Из него также производят лазерный свет и зеленые люминофоры в телевизионных трубках.

Диспрозий: Используется в некоторых управляющих стержнях на атомных электростанциях. Также используется в некоторых видах лазеров, высокоинтенсивном освещении и для повышения коэрцитивности мощных постоянных магнитов, например, в гибридных автомобилях.

Гольмий: Обладает самой высокой магнитной силой среди всех известных элементов, что делает его полезным в промышленных магнитах, а также в некоторых стержнях ядерного управления. Также используется в твердотельных лазерах и для окрашивания кубического циркония и некоторых видов стекла.

Эрбий: Используется в качестве фотофильтра и усилителя сигнала (он же «легирующий агент») в волоконно-оптических кабелях. Также используется в некоторых стержнях ядерного управления, металлических сплавах и для окрашивания специализированного стекла и фарфора в солнцезащитных очках и дешевых ювелирных изделиях.

Тулий: Самый редкий из всех встречающихся в природе редкоземельных металлов. Имеет мало коммерческих применений, хотя используется в некоторых хирургических лазерах. После облучения в ядерных реакторах он также используется в портативной рентгеновской технике.

Иттербий: Используется в некоторых портативных рентгеновских устройствах, но в остальном имеет ограниченное коммерческое применение. Среди специальных применений он используется в некоторых типах лазеров, датчиках напряжения при землетрясениях и в качестве легирующего агента в волоконно-оптических кабелях.

Лютеций: В основном ограничен специальными применениями, такими как расчет возраста метеоритов или проведение позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Также используется в качестве катализатора для процесса «крекинга» нефтепродуктов на нефтеперерабатывающих заводах.